(57)【要約】【課題】振動の多い構造物の歪み計測に適した可動部の無いＦＢＧを用いた歪み計測システムを提供する。【解決手段】広帯域パルス光源６からの光信号を光ファイバー１に通す。歪測定用ＦＢＧ８から反射した光信号は、光サーキュレーター７を通ってから１×２光コネクター９を介して二つに分離される。一方の光信号はそのままフォトディテクター１１にて検出する。他方の光信号はチャープドＦＢＧ１０を通した後にフォトディテクター１１にて検出する。光信号はチャープドＦＢＧ１０を通すことにより、光強度が波長に応じて変化する。そして、これら二つの光信号の強度を比較することにより歪計測用ＦＢＧ１０から反射した光信号の波長を計算により求め、構造物の歪を計測する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
広帯域パルス光源と、該広帯域パルス光源からの出力光を導出する光ファイバーと、該光ファイバー上に作製された前記出力光を反射するＦＢＧと、該ＦＢＧからの反射光の波長を検出する波長計とからなるＦＢＧを用いた歪み計測システムにおいて、前記波長計が任意の波長において透過損失あるいは反射損失に波長依存性を持たせた光フィルターとしてのチャープドＦＢＧを備えていることを特徴とするＦＢＧを用いた歪み計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＦＢＧを用いた歪み計測システムに関し、とくに風力発電機のブレードや航空機や自動車などの構造物の歪みの測定に使用される歪み計測システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、風力発電機のブレードや航空機や自動車などの構造物の歪みの計測には、電気式の金属製センサーが用いられてきた。電気式の歪みセンサーは、複数のセンサーにそれぞれセンサラインと電線を取り付ける必要があり、コストが嵩む。さらに電気を使用することによって発生するノイズにより歪みの検出能力が落ちるという欠点があった。
【０００３】
そこで、光ファイバーを用いて歪みを計測する方法が提案されている。この方法によれば、一本の光ファイバーでセンサラインが済み、各センサーに電線を取り付ける必要もないので、構造が簡単になり低コストで作製できるという利点がある。ＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ）センサーを用いた歪み計測システムはその中の一つである。ＦＢＧとは、光ファイバーのコア部に、μｍオーダーの幅の屈折率変調を作ることによって、特定の波長の光を選択的に反射させるデバイスのことである（図６参照）。
【０００４】
ＦＢＧは、広帯域光源であるＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光源と組み合わせて、構造物の歪み計測に用いることができる。ＦＢＧはグレーティング間隔で決まる特定の光を反射する。すなわち、ＦＢＧに応力が加わり伸び縮みする（ＦＢＧが歪む）ことでＦＢＧの反射波長が変化する。このＦＢＧを構造物の所望の測定ヶ所に取り付けＡＳＥ光を入射し、反射波長を波長計等で測定すればＦＢＧの歪み、すなわち構造物の歪みが計測できる。
【０００５】
ＦＢＧは、光ファイバーのコアを構成しているＧｅをドープした石英ガラスに紫外線を照射すると屈曲率が増加する現象を利用して作製される。構造物に歪みや破壊が生じると、光ファイバーもその分、長さ方向に伸び縮みするため、反射する光の波長が変化する。よって波長をモニターすることにより、構造物の歪みが計測できる。ＦＢＧ方式は、
（１）加えられた歪みに対してＦＢＧ波長が十分な直線性を持つ。
（２）小型で各種のセンサーに組み込み易い。
（３）一本のラインで複数の歪み計の配置が可能。
等の利点を持っており、製作コストが低減できれば、電気式に代わって乗り物や構造物の歪み計測に広範囲に用いることが可能である。
【０００６】
このように、ＦＢＧは広帯域光源と組み合わせて構造物の歪み計測に用いられる。すなわち、広帯域光源からの光信号が、ＦＢＧに到達すると、ある特定の波長の光のみが吸収又は反射する。その時の波長を読み取ることによって、構造物の歪みを計測することができる。その際、歪によって生じたＦＢＧの透過波長又は反射波長の変化を検出する装置、つまり波長計が必要となる。
【０００７】
波長を読み出すのに用いる波長計は、できるだけ小型で故障が少なく、高速で測定でき、安価であることが望まれる。また計測すべき構造物の歪みを１％と仮定すると、中心波長１５５０ｎｍの広帯域光源を用いた場合、計測しなければならない波長範囲は約１５ｎｍ程度になる。既存の波長計は、主に光通信分野で用いられており、ビームスプリッタと可動ミラーなどを組み合わせて波長を挿引している。しかしながら、この方式では、可動部があるため、激しく振動する構造物の近くでは故障する可能性がある。また、小型化の障害ともなり、高コストになる原因となっている。更に波長の読み出しに時間がかかる。
【０００８】
一方、可動部の無い波長計の機構については、可変バンドパスフィルターとエタロンとを組み合わせて使う方法が提案されている(例えば、特許文献１並びに特許文献２参照。)。可変波長バンドパスフィルターとは、ある特定範囲の波長をもった光信号のみを透過するフィルタであり、透過波長域をスキャンさせることが出来る。エタロンとは、ガラスや水晶の極めて平行度の高い平行平面板の両面に金属膜や誘電体多層膜を付けて反射率を上げた光学素子、又は２枚の平面度の高いガラスを向かい合わせて平行に保持した光学素子である。エタロンに入射した光信号は両面で多重反射を起こし、結果として透過ピークが周期的に現れるためフィルタとして用いられる。可変波長バンドパスフィルターとエタロンとを組み合わせて使うことにより、ＦＢＧセンサーからの光信号の波長を計測することができる。
【０００９】
しかしエタロンフィルターは干渉を用いているため、数ｎｍ間隔で透過率の山と谷が周期的に発生する。そのため、ＦＢＧセンサーからの光信号を測定できる波長範囲も制限されてしまい、計測できる歪みの範囲も小さくなる。さらにエタロンを用いる場合には、精密な光学的調整が必要であり、振動の多い構造物での計測には不向きである。また可変波長バンドパスフィルターのスキャン速度が計測速度を制限してしまうという欠点があった。
【００１０】
他にも可動部の無い波長計としてＦＢＧを使う方法が提案されている(例えば、特許文献３並びに特許文献４参照。)。しかし使用する光源の波長範囲はＦＢＧの透過波長域以下であることが要求される。それ故、計測できる波長変化の範囲が1ｎｍ以下であり、計測できる歪みの範囲は０．０８％以下になる欠点があった。
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−１５０７９８号公報
【特許文献２】特開２００４−２０５２７１号公報
【特許文献３】特開２００４−３４７５７５号公報
【特許文献４】特開２００４−１７７１３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以上のように、可動部の無い波長計には、誘電体多層膜、ＦＢＧ、エタロンを用いる方法がある。しかしながら、これらの方法は、いずれも透過率が変化している波長域が約０．４ｎｍと比較的狭く、被測定構造物の各箇所で１％以上の歪みを検出することはできない。波長を読み出すのに用いる波長計は、できるだけ小型で故障が少なく、高速で測定でき、安価であることが望まれる。また計測すべき構造物の歪みを１％と仮定すると、中心波長１５５０ｎｍの広帯域光源を用いた場合、計測しなければならない波長範囲は約１５ｎｍ程度になる。本発明は上記課題を解決するために、振動の多い構造物の歪み計測に適した可動部の無いＦＢＧを用いた歪み計測システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
そこで、本発明では、広帯域パルス光源と、該広帯域パルス光源からの出力光を導出する光ファイバーと、該光ファイバーに作製された前記出力光を反射するＦＢＧと、該ＦＢＧからの反射光の波長を検出する波長計とからなるＦＢＧを用いた歪み計測システムにおいて、前記波長計が任意の波長において透過損失あるいは反射損失に波長依存性を持たせた光フィルターとしてのチャープドＦＢＧを備えていることを特徴とする。
【００１４】
本発明者らは、波長によって透過率の異なる光学フィルターとして、ＦＢＧの中でも構造が特殊なチャープドＦＢＧについて考察した。歪み計測に用いるＦＢＧは屈折率変調のピッチ幅が一定である（図５ａ参照）。この構造では、透過あるいは反射する光信号の半値幅が極めて狭くなる。これに対してＦＢＧの屈折率変調のピッチ幅を軸方向に変化させると、透過あるいは反射する光の波長範囲を広げることができる(図５ｂ参照)。また軸方向に対して屈折率変化を一方の端を小さく、他方を大きくすることにより、各々の波長での透過率、或いは反射率を変化させる事が可能になる。この２つの結果を利用することで、透過率が波長に対して連続的に変化する光学フィルターを作製する事ができる。
【００１５】
チャープドＦＢＧでは、屈折率変調のピッチ幅と屈折率の変化量を調整することにより、原理的には任意の波長域で任意の透過率を持った光学フィルターを作製することができる。実際には様々な制約があるが、１％の歪みを計測するために必要な波長範囲１５ｎｍ程度を計測することは十分に可能である。チャープドＦＢＧを用いる方法は上記のエタロンを用いる方法に比べて、周期的に透過率が変化することがないので、その分測定できる波長範囲が広くとることができる。その結果、測定できる構造物の歪みの範囲が広くなる。またエタロンの場合と違い、光学調整がそれほどシビアでなくでも十分なので、振動に強い波長計を製作することが出来る。これに対してＦＢＧの屈折率変調のピッチ幅を軸方向に変化させると、反射する光の波長範囲が広がる（図５ｂ参照）。また、屈折率変化も軸方向で変化させることにより、それぞれの波長での透過率を変化させることが可能になる。この二つの結果を利用することで、波長によって透過率の異なる光学フィルターを作製することができる。
【００１６】
すなわち、波長計にチャープドＦＢＧを用いることにより、上記エタロンを用いる方法に比べて、測定できる波長範囲が広くなるので、測定できる構造物の歪みの範囲が広くなる。それ故、用途が制限されることがなく、様々な構造物の歪み計測に用いることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、複数の波長に対しても計測可能な高分解能で、かつ応答反応が速く、信頼性の高い可動部の無い小型波長計を提供できる。風力発電の風車ブレードや自動車等は、振動が大きく、従来の波長計では信頼性に問題があったが、本発明の波長計は堅牢であるため諸問題を解決できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を以下に示す実施例に基づいて説明する。
図１はチャープドＦＢＧの作製方法を模式的に示す（ａ）は側面図、（ｂ）はアパーチャーの平面図、図２はチャープドＦＢＧにより歪み計測ができる仕組みを示すグラフ、図３は本発明に係る歪み計測システムの一実施例を示す概念図、図４は本発明に係る歪み計測システムの他の実施例を示す概念図、図５は通常のＦＢＧ並びにチャープドＦＢＧの光学的反射作用を示す説明図、図６はＦＢＧの構造を模式的に示す説明図である。
【実施例１】
【００１９】
先ず、チャープドＦＢＧの作製方法を説明する。図１に示すように、長手方向のピッチ幅が変化する位相マスク２を用い、位相マスク２を通して紫外光５を光ファイバー１に照射する。その際、アパーチャー４を用いて透過する紫外線量を長手方向（図では右方向）で変化させる。すなわち、アパーチャー４にはテーパー状スリット４ａが形成され、これを透過する紫外線量が長手方向で漸次増大できるようにされている。その上で円筒レンズ３を用いて集光させることにより、紫外線５の単位面積あたりの照射強度を長手方向に変化させることができる。その結果、紫外線５を照射することにより光ファイバー１のコア１ａ中の屈折率変化を長手方向に変化させることができる。その結果、波長によって透過率が変化するチャープドＦＢＧが作製できる。
【００２０】
次に、チャープドＦＢＧを用いた歪計測システムを図２に示す。広帯域パルス光源６からの光信号を光ファイバー１に通す。歪測定用ＦＢＧ８から反射した光信号は、光サーキュレーター７を通ってから１×２光コネクター９ａを介して二つに分離される。一方の光信号はそのままフォトディテクター１１にて検出する。他方の光信号はチャープドＦＢＧ１０を通した後にフォトディテクター１１にて検出する。光信号はチャープドＦＢＧ１０を通すことにより、光強度は波長に応じて変化する（図３参照）。そして、これら二つの光信号の強度を比較することにより歪計測用ＦＢＧ１０から反射した光信号の波長を計算により求め、構造物の歪を計測することができる。
【００２１】
実際の計測では、歪みの計測範囲を広くすることが必要である場合と、逆に微小な歪み計測を高精度で計測する場合の二通りが考えられるが、これはチャープドＦＢＧ１０を交換することによって可能である。また通常は歪計測用ＦＢＧ８からの反射した光信号は、光サーキュレーター７を通ってから１×２光コネクター９ａを介して二つに分離しているが、１×２光コネクター９ａの代わりに三つ以上の光信号に分離できる１×ｎ光コネクター９ｂを用いて、そのうち一つの光信号はそのままフォトディテクター１１にて検出し、他の光信号を、それぞれ透過率の波長特性の異なるチャープドＦＢＧ１０に通した後、フォトディテクター１１にて検出することにより、極めて広範囲の歪みを高精度で計測することができる。１×ｎ光コネクター９ｂはチャープドＦＢＧ１０を作製した光ファイバー１に容易に結合させることができ、これにより極めて堅牢で信頼性の高い波長計を得ることができる。
【実施例２】
【００２２】
次に複数の同じ反射波長を持った歪み計測用ＦＢＧ８からの信号を検知できる歪み計測システムを図４に示す。尚、便宜上実施例１と同様の構成要素には同一の参照符号を付して説明する。本実施例では、広帯域パルス光源６から出力されたパルス光信号は、先ず１×２光コネクター９ａを介して２つに分離される。一方の信号はそのままフォトディテクター１１にて検出する。他方の光信号は一列の歪み計測用ＦＢＧ８に入射する。歪計測用ＦＢＧ８からの反射した光信号は、光サーキュレーター７を通ってから１×２光コネクター９ａを介して２つに分離される。１方の光信号はそのままフォトディテクター１１にて検出する。他方の光信号はチャープドＦＢＧ１０を通した後にフォトディテクター１１にて検出する。光信号がチャープドＦＢＧ１１を通ることにより、光強度は波長に応じて変化する。これら二台のフォトディテクター１１間で検出した信号の時間差を計測することにより、一列の歪み計測用ＦＢＧ８のどのＦＢＧから検出されたものであるかを判断することができる。二台のフォトディテクター１１でそれぞれ検出した信号の強度差を比較することにより歪計測用ＦＢＧ８からの反射した光信号の波長を計算により求め、構造物の歪を計測することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明は、振動の多い風力発電機のブレードや航空機や自動車などの構造物の安全性評価への利用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】チャープドＦＢＧの作製方法を模式的に示す（ａ）は側面図、（ｂ）はアパーチャーの平面図である。
【図２】チャープドＦＢＧにより歪み計測ができる仕組みを示すグラフである。
【図３】本発明に係る歪み計測システムの一実施例を示す概念図である。
【図４】本発明に係る歪み計測システムの他の実施例を示す概念図である。
【図５】通常のＦＢＧ並びにチャープドＦＢＧの光学的反射作用を示す説明図である。
【図６】ＦＢＧの構造を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００２５】
１      光ファイバー
１ａ    光ファイバーのコア
２      位相マスク
３      円筒レンズ
４      アパーチャー
４ａ    スリット
５      紫外光
６      広帯域パルス光源
７      光サーキュレーター
８      歪み測定用ＦＢＧ
９ａ    １×２光コネクター
９ｂ    １×ｎ光コネクター
１０    チャープドＦＢＧ
１１    フォトディテクター
１２    オシロスコープ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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